CN111484219A - 一种两相厌氧消化处理污泥的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种两相厌氧消化处理污泥的系统，包括计量称重单元、浆化调配单元、TSBP水解单元、TSBP产甲烷单元、深度脱水单元、堆置单元、化学除磷单元、沼气处理单元、沼气利用及换热单元、加热保温单元和臭气处理单元。污泥经计量称重单元进入浆化调配单元调配含水率后，首先进入TSBP水解单元，在高温下进行污泥的快速破壁，并将大分子有机物降解为小分子有机酸，再输送至TSBP产甲烷单元，在中温环境中将挥发性有机酸转化为沼气。沼气经脱硫、去除水分处理后发电利用，发电余热用于水解单元和产甲烷单元的加热和保温；消化污泥经深度脱水后进行后续处置利用；沼液进入化学除磷单元，脱磷处理后排放，本发明可实现污泥产能，同时对消化污泥和沼液处理以防影响环境。
Description
技术领域
本发明属于固废处理技术领域，涉及固废资源的无害化处理及能源化利用，特别涉及一种两相厌氧消化处理污泥的系统及方法。
背景技术
近年来，随着我国城镇化发展水平的提升，污水处理设施日益完善，污泥产量也逐年增长。厌氧消化工艺是目前最可行的污泥稳定化工艺，污泥经厌氧消化后，体积大大减少，脱水性能大大提高，可实现污泥的减量化和稳定化。同时，污泥厌氧消化产生的清洁能源沼气，不仅可用作锅炉燃料、直接驱动鼓风机，也可用于沼气发电，提供污水处理厂的部分用电量。
虽然我国对污泥厌氧消化已有一定的研究和应用，但是由于在厌氧消化工艺的设计理论及操作运行方面存在诸多不足，造成我国污泥厌氧消化应用落后。污泥厌氧消化主要存在以下问题：(1)污泥破壁问题：细胞壁结构稳定，难于生物降解，需要解决细胞壁的破壁难题，才能保证污泥的有效降解。(2)反应效率低：普通消化技术难以实现高效甲烷化，需要解决水解酸化菌与产甲烷菌各自最优环境，实现高效产甲烷。(3)厌氧系统能量净输出低：系统能耗远远高于系统产能，难以实现能源自给。
因此，必须提高污泥厌氧消化技术水平，研发适合我国国情的污泥厌氧消化新技术及装备，这对实现污水厂节能减排和污泥减量化、稳定化是非常必要的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种两相厌氧消化处理污泥的系统及方法，以期提高污泥水解率，解决污泥破壁问题，使水解酸化菌与产甲烷菌处于各自最优环境，实现高效产甲烷；平衡系统能耗，实现能源自给；同时对沼液沼渣处理以防影响环境。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种两相厌氧消化处理污泥的系统，包括：
计量称重单元1，计量称重污水处理厂运来的脱水污泥及未脱水污泥量；
浆化调配单元2，接计量称重单元1，对脱水污泥、未脱水污泥及粪便进行混合，调节污泥含水率；
TSBP水解单元3，接污泥浆化调配单元2的出口，对调配后的污泥进行高温水解酸化；
TSBP产甲烷单元4，接TSBP水解单元3的物料出口，对水解酸化后的物料在产甲烷菌的作用下进行沼气转化；
深度脱水单元5，接TSBP产甲烷单元4的出口，对厌氧消化后污泥进行脱水；
化学除磷单元6，接深度脱水单元5，化学沉淀法去除消化液中高浓度磷含量，处理后消化液排入污水处理厂污水管道；
堆置单元7，接深度脱水单元5，对深度脱水后的消化污泥进行堆置处理；
沼气处理单元8，接TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4的沼气排出口，对沼气进行脱硫及去除水分处理；
沼气利用及换热单元9，接沼气处理单元8，对处理后沼气进行发电利用，发电余热对浆化调配单元2的污泥进行加热和保温，以保证TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4所需温度；
臭气处理单元10，接浆化调配单元2和深度脱水单元5的臭气排出口，收集处理系统产生的臭气。
进一步地，本发明还包括加热保温单元11，沼气利用及换热单元9产生的发电余热，经过加热保温单元11对浆化调配单元2及TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4中的污泥进行加热保温。
所述TSBP水解单元3、TSBP产甲烷单元4构成污泥厌氧发酵反应器，所述厌氧发酵反应器为发酵系统，形成两相发酵结构。
本发明还提供了基于所述两相厌氧消化污泥处理系统的处理方法，包括如下步骤：
步骤a、污泥在计量秤重单元1中进行计量秤重；
步骤b、将步骤a中称重好的污泥输送至浆化调配单元2，根据含水率进行底物调节，使其含水率在90％±2％左右，再与粪便一起进行调配，将含水率调配至92％±2％左右。
步骤c、将步骤b中调配好的污泥输送至TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4构成的两相发酵系统中，首先在TSBP水解单元3反应器中高温快速破壁，大分子有机物在较短水力停留时间内被水解微生物降解为小分子有机酸，再输送至TSBP产甲烷单元4，在其中温反应器中将挥发性有机酸转化为沼气；沼气经沼气处理单元8进行脱硫、去除水分处理后进入沼气利用及换热单元9发电利用，发电余热经过加热保温单元11用于浆化调配后的污泥加热及水解单元和产甲烷单元的加热和保温；
步骤d、将步骤c中产生的厌氧消化污泥输送至深度脱水单元5经深度脱水后输送至堆置单元7堆置至含水率60％后进行后续处置利用；脱水后的沼液进入化学除磷单元6，脱磷处理后排入污水厂。
步骤e、将步骤c和步骤d中产生的臭气排入臭气处理单元10，收集并处理系统产生的臭气。
进一步地，所述浆化调配单元2中污泥包括污水处理厂脱水污泥(含水率约80％±2％)和未经脱水的高含水率污泥，根据污泥初始含水率确定浆化比例，使污泥含水率调配至90％±2％左右，再混入粪便，调整物料含水率至92％±2％左右。
进一步地，所述调配后污泥进入TSBP水解单元3，所述反应器采用平底圆柱形钢制装置，高温维持在45℃左右，停留时间为3～5d，保温装置为水管伴热保温层，采用机械搅拌方式搅拌。
进一步地，所述TSBP产甲烷单元4反应器采用平底圆柱形钢制装置，中温维持在35～38℃，停留时间14d，保温装置为水管伴热保温层，采用机械搅拌方式搅拌。
进一步地，所述沼气利用及换热单元9包括沼气储柜、沼气发电机，沼气经脱硫除水后进入沼气储柜，稳定后沼气送入发电机，所发电用于厂区自用。发电余热供污泥加热和消化池保温。多余沼气经火炬安全排放。
进一步地，所述加热保温单元11利用沼气锅炉产生的蒸汽将污泥加热至45～51℃(管道输送至反应装置会有热量损失，因此前处理温度要高于45℃的反应温度)。
进一步地，所述堆置单元7对深度脱水后的消化污泥进行堆置处理，待消化污泥含水率降至60％，用于土地利用。
进一步地，所述臭气处理单元10收集处理系统产生的臭气，通过除臭处理无害化后排放。
与现有技术相比，本发明通过控制温度和停留时间，将产酸菌和产甲烷菌分别集中在水解单元和产甲烷单元，控制污泥在高温作用下水解，在中温作用下产甲烷，使水解微生物和产甲烷微生物在各自有利环境条件下发挥水解和产甲烷作用，达到污泥厌氧消化稳定运行，并提高污泥甲烷转化的目的。通过本系统能有效提高沼气产率，使VS去除率达到47％，最终实现污泥的减量化、无害化、能源化，并对产生的沼液沼渣进行收集处理，处理后达标排放，不影响周围环境。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种两相厌氧消化处理污泥的系统，适用于市政污泥处理，可有效实现污泥产能，同时对消化污泥和沼液处理以防影响环境。参考图1，其主要包括：
计量称重单元1，计量称重污水处理厂运来的脱水污泥及未脱水污泥量；
浆化调配单元2，接计量称重单元1称重后污泥，对脱水污泥、未脱水污泥及粪便进行混合，调节污泥含水率；
两相发酵系统，即污泥厌氧发酵反应器，是本发明系统的核心，采用两相分离的方式形成TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4。TSBP水解单元3接浆化调配单元2的出口，对浆化调配好的污泥进行细胞破壁和水解；TSBP产甲烷单元4，接TSBP水解单元的出口，对破壁水解后的污泥在中温条件下转化为沼气；
深度脱水单元5，接TSBP产甲烷单元4的出口，对厌氧消化后污泥进行脱水；
化学除磷单元6，接深度脱水单元5，化学沉淀法去除硝化液中高浓度磷含量，处理后消化液排入污水处理厂污水管道；
堆置单元7，接深度脱水单元5，对深度脱水后的消化污泥进行堆置处理；
沼气处理单元8，接TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4的沼气排出口，对沼气进行脱硫及去除水分处理；
沼气利用及换热单元9，接沼气处理单元8，对处理后沼气进行发电利用，发电余热对浆化调配单元2的污泥进行加热和保温，以保证TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4所需温度；
臭气处理单元10，接污泥浆化调配单元2和深度脱水单元5的臭气排出口，收集并处理系统产生的臭气。
基于上述两相厌氧消化处理污泥系统，处理方法包括如下步骤：
步骤a、污泥在计量秤重单元1中进行计量秤重；
步骤b、将步骤a中称重好的污泥输送至浆化调配单元2，根据含水率进行底物调节，使其含水率在90％左右，再与粪便一起进行调配，将含水率调配至92％左右。
步骤c、将步骤b中调配好的污泥输送至TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4构成的两相发酵系统中，首先在TSBP水解单元3反应器中高温快速破壁，大分子有机物在较短水力停留时间内被水解微生物降解为小分子有机酸，再输送至TSBP产甲烷单元4，在中温反应器中将挥发性有机酸转化为沼气；沼气经沼气处理单元8进行脱硫、去除水分处理后进入沼气利用及换热单元9发电利用，发电余热经过加热保温单元11用于浆化调配后的污泥加热及水解单元和产甲烷单元的加热和保温；
步骤d、将步骤c中产生的厌氧消化污泥输送至深度脱水单元5经深度脱水后输送至堆置单元7堆置至含水率60％后进行后续处置利用；脱水后的沼液进入化学除磷单元6，脱磷处理后排入污水厂。
步骤e、将步骤c和步骤d中产生的臭气排入臭气处理单元10，收集处理系统产生的臭气。
在本发明的一个具体实施例中，发酵原料为市政污泥，将脱水至80％的污泥与未脱水污泥浆化调节至含水率90％，再与含水率为98.5％的粪便混合，调配含水率至92％。TSBP水解单元3温度控制在45℃，停留时间3～5天，加热方式为沼气发电余热首先对调配后的发酵原料加热至45～51℃，再进入TSBP水解单元3，通过加热保温单元11保持温度在45℃。TSBP产甲烷单元3温度控制在35℃，停留时间14天，通过加热保温单元11维持温度恒定。TSBP水解单元3和TSBP产甲烷单元4的反应器有效容积比为1：4.67。
实施例中市政污泥在经过上述处理后，其产生沼气的有效成分含量和VS降解率结果如表1所示。
表1
由此，本发明可在19天之内，使污泥中VS降解率达到47.19％，沼气最高产率达到563.68L/kg VS，同时脱水滤液中总磷含量降至1mg/L以下，使市政污泥达到能源化、资源化处置的效果。
Claims (10)
1.一种两相厌氧消化处理污泥的系统，其特征在于，包括：
计量称重单元(1)，计量称重污水处理厂运来的脱水污泥及未脱水污泥量；
浆化调配单元(2)，接计量称重单元(1)，对脱水污泥、未脱水污泥及粪便进行混合，调节污泥含水率；
TSBP水解单元(3)，接浆化调配单元(2)的出口，对调配后的污泥进行高温水解酸化；
TSBP产甲烷单元(4)，接TSBP水解单元(3)的物料出口，对水解酸化后的物料在产甲烷菌的作用下进行沼气转化；
深度脱水单元(5)，接TSBP产甲烷单元(4)的出口，对厌氧消化后污泥进行脱水；
化学除磷单元(6)，接深度脱水单元(5)，化学沉淀法去除消化液中高浓度磷含量，处理后消化液排入污水处理厂污水管道；
堆置单元(7)，接深度脱水单元(5)，对深度脱水后的消化污泥进行堆置处理；
沼气处理单元(8)，接TSBP水解单元(3)和TSBP产甲烷单元(4)的沼气排出口，对沼气进行脱硫及去除水分处理；
沼气利用及换热单元(9)，接沼气处理单元(8)，对处理后沼气进行发电利用，发电余热对浆化调配单元(2)的污泥进行加热和保温，以保证TSBP水解单元(3)和TSBP产甲烷单元(4)所需温度；
臭气处理单元(10)，接浆化调配单元(2)和深度脱水单元(5)的臭气排出口，收集并处理系统产生的臭气。
2.根据权利要求1所述两相厌氧消化处理污泥的系统，其特征在于，还包括加热保温单元(11)，沼气利用及换热单元(9)产生的发电余热，经过加热保温单元(11)对浆化调配单元(2)及TSBP水解单元(3)和TSBP产甲烷单元(4)中的污泥进行加热保温。
3.根据权利要求1所述两相厌氧消化处理污泥的系统，其特征在于，所述TSBP水解单元(3)、TSBP产甲烷单元(4)构成污泥厌氧发酵反应器，所述厌氧发酵反应器为发酵系统，形成两相发酵结构。
4.基于权利要求1所述两相厌氧消化处理污泥系统的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a、污泥在计量秤重单元(1)进行计量秤重；
步骤b、将步骤a中称重好的污泥输送至浆化调配单元(2)，根据含水率进行底物调节，使其含水率在90％±2％，再与粪便一起进行调配，将含水率调配至92％±2％。
步骤c、将步骤b中调配好的污泥输送至TSBP水解单元(3)和TSBP产甲烷单元(4)构成的两相发酵系统中，首先在TSBP水解单元(3)反应器中高温快速破壁，大分子有机物在短的水力停留时间内被水解微生物降解为小分子有机酸，再输送至TSBP产甲烷单元(4)，在其中温反应器中将挥发性有机酸转化为沼气；沼气经沼气处理单元(8)进行脱硫、去除水分处理后进入沼气利用及换热单元(9)发电利用，发电余热经过加热保温装置(11)用于浆化调配后的污泥加热及TSBP水解单元(3)和TSBP产甲烷单元(4)的加热和保温；
步骤d、将步骤c中产生的厌氧消化污泥输送至深度脱水单元(5)经深度脱水后输送至堆置单元(7)堆置至含水率60％后进行后续处置利用；脱水后的沼液进入化学除磷单元(6)，脱磷处理后排入污水厂。
步骤e、将步骤c和步骤d中产生的臭气排入臭气处理单元(10)，收集并处理系统产生的臭气。
5.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述浆化调配单元(2)中污泥包括含水率80％±2％的污水处理厂脱水污泥和未经脱水的高含水率污泥，根据污泥初始含水率确定浆化比例，使污泥含水率调配至90％±2％，再混入粪便，调整物料含水率至92％±2％。
6.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述调配后污泥进入TSBP水解单元(3)，TSBP水解单元(3)的反应器采用平底圆柱形钢制装置，高温维持在45℃，停留时间为3～5d，保温装置为水管伴热保温层，采用机械搅拌方式搅拌。
7.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述TSBP产甲烷单元(4)的反应器采用平底圆柱形钢制装置，中温维持在35～38℃，停留时间14d，保温装置为水管伴热保温层，采用机械搅拌方式搅拌。
8.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述沼气利用及换热单元(9)包括沼气储柜、沼气发电机，沼气经脱硫除水后进入沼气储柜，稳定后沼气送入发电机，所发电用于厂区自用，发电余热供污泥加热和消化池保温，多余沼气经火炬安全排放。
9.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述加热保温单元(11)利用沼气锅炉产生的蒸汽将污泥加热至45～51℃。
10.根据权利要求4所述处理方法，其特征在于，所述堆置单元(7)对深度脱水后的消化污泥进行堆置处理，待消化污泥含水率降至60％，用于土地利用，所述臭气处理单元(10)收集处理系统产生的臭气，通过除臭处理无害化后排放。
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